今年秋天，Mira上將運(yùn)行一個(gè)超大型的宇宙模擬系統(tǒng)，這是迄今為止所進(jìn)行的五個(gè)最廣泛模擬系統(tǒng)之一，它展示了美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(DOE's)巨型計(jì)算機(jī)所處理問(wèn)題的范圍。阿貢的物理學(xué)家和計(jì)算科學(xué)家卡特琳·海特曼(Katrin Heitmann)領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)項(xiàng)目。

早在2013年IBM Blue Gene/Q系統(tǒng)在美國(guó)能源部下屬的科學(xué)用戶設(shè)施ALCF上線時(shí)，海特曼是首批利用Mira能力的人之一。在當(dāng)時(shí)進(jìn)行的最大宇宙學(xué)模擬中，海特曼和同事進(jìn)行外部環(huán)模擬使多年來(lái)的進(jìn)一步科學(xué)研究成為可能。

在這項(xiàng)新研究中，Heitmann已經(jīng)分配了大約8億小時(shí)的核心時(shí)間來(lái)進(jìn)行模擬，該模擬反映了衛(wèi)星和望遠(yuǎn)鏡的前沿觀測(cè)進(jìn)展，并將成為許多研究使用宇宙地圖的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)大量粒子的演化，模擬目的是幫助解決暗能量和暗物質(zhì)的奧秘。通過(guò)將這個(gè)模擬轉(zhuǎn)換成一個(gè)人造的宇宙，可以很好地模擬不同波長(zhǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這項(xiàng)研究可以使整個(gè)研究領(lǐng)域的大量科學(xué)項(xiàng)目成為可能。但也給我們帶來(lái)了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也就是說(shuō)，為了生成跨越不同波長(zhǎng)的模擬宇宙。

研究團(tuán)隊(duì)必須提取相關(guān)信息，并在模擬中或模擬后處理進(jìn)行分析。后處理需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)——事實(shí)上，如此之多，以至于僅僅讀取數(shù)據(jù)就變得非常昂貴。自從Mira運(yùn)行以來(lái)，海特曼和研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在硬件/混合加速宇宙學(xué)代碼(HACC)中實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的分析工具，用于實(shí)時(shí)處理。此外，與外部環(huán)模擬相比，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)主要改進(jìn)，首先，宇宙學(xué)模型已經(jīng)更新，這樣就可以用最好的觀測(cè)輸入進(jìn)行模擬。其次，由于目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全機(jī)運(yùn)行，因此體積將會(huì)增加，從而獲得更好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

最重要的是，還建立了幾個(gè)新的分析程序，這將能使我們?yōu)閺V泛的研究生成模擬宇宙，從而研究廣泛的科學(xué)問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)模擬將解決宇宙學(xué)中的許多基本問(wèn)題，對(duì)于改進(jìn)現(xiàn)有的預(yù)測(cè)工具和幫助開(kāi)發(fā)新模型至關(guān)重要，這將影響正在進(jìn)行和即將進(jìn)行的宇宙學(xué)研究，包括暗能量光譜儀(DESI)、大型天氣觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡(LSST)、SPHEREx和“第四階段”地面宇宙微波背景實(shí)驗(yàn)(CMB-S4)。模擬價(jià)值在于其巨大的體積（這對(duì)于覆蓋大部分測(cè)量區(qū)域是必要的），以及獲得足夠的質(zhì)量和力分辨率來(lái)捕捉微弱星系的小結(jié)構(gòu)。

體積和分辨率對(duì)計(jì)算有很高的要求，由于不容易滿足，很少進(jìn)行大規(guī)模的宇宙學(xué)模擬。造成執(zhí)行困難的原因之一是，自從Mira引入以來(lái)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存占用并沒(méi)有隨著處理速度成比例地提高。這使得該系統(tǒng)，盡管它的相對(duì)年齡，相當(dāng)適合大規(guī)模運(yùn)動(dòng)時(shí)充分利用。ALCF科學(xué)主任Katherine Riley表示：對(duì)這個(gè)規(guī)模的計(jì)算只是一瞥，看看現(xiàn)在發(fā)展中的百億億美元資源在2021/2022年會(huì)達(dá)到什么程度，研究團(tuán)體將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)利用這項(xiàng)工作。

博科園｜研究/來(lái)自：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

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